（材料加工工程专业论文）原位tial系复合材料显微组织与性能的研究.pdf

哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文 摘要 本文利用场激活自蔓延燃烧合成方法制备了铝基复合材料;采用自 蔓延 高温合成、感应熔炼与熔模精密铸造相结合的工艺制备了铝基和钦铝基复合 材料精密铸件。并通过x r d分析、s e m观察对复合材料的相组成和显微组 织进行了分析; 通过硬度测试、压缩强度实验测试了复合材料的力学性能: 同时研究了复合材料熔体的流动性。 实验结果表明，在电 磁场条件下，反应体系同时受到电磁场和热场的混 合作用，反应区热的积累速率更大，反应更容易进行，可直接制备出重力场 下无法制得的低增强相百分含量的复合材料。利用场激活自 蔓延燃烧合成方 法，制备了低增强相含量，尺寸为亚微米级甚至纳米级增强相的 ai 基、 t i a l 基、t i 3 a l 基复合材料;在电磁场下， 硼含量较低时，得到了t i b增强 t i - 4 7 a 1 基复合材料。上述结果在重力场下是无法实现的。同时在未完全反 应的 t i - a i - b体系中发现放热反应过程中，t i a 1 3 壳层在毛细管力和热力学 的作用下开裂，芯层 t i 逐渐被 t i a 1 3 层割裂，形成了 “ 碎裂一 增值” 微观反 应机制。 利用感应熔炼与熔模精密铸造相结合工艺制备了复合材料熔模精密铸 件。 生 成的 增强相t ib : 成颗粒状， 尺寸约 为1 .5 - 3 u m , 薄壁处基体的晶 粒 度 达 1 0 tm以 下，所制备 a i 基复合材料的压缩强度达 6 1 i m p a ; t i a l 基复合 材料的压缩强度达 1 8 5 0 mp a 。在重力场自由流动条件下a i 基复合材料在压 头为 1 5 c m条件下充满了最大壁厚 3 c m, 1 6 0 m m长的条形内腔，t i a l 基复 合材料在压头为2 4 c m条件下，充填条形内腔的长度达6 8 m m o 关键词原位复合材料:显微组织;生成机制 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e f i e l d - a c t i v a t e d s e l f - p r o p a g a t i o n c o m b u s t i o n s y n t h e s i s t e c h n o l o g y i s u s e d t o f a b r i c a t e t i t a n i u m c o m p o s i t e s a n d a l u m i n i u m m a t r i x c o m p o s i t e s i n t h i s p a p e r . t h e p r e c i s i o n c a s t i n g s o f t i t a n i u m a n d a l u m i n i u m m a t r i x c o m p o s i t e s w e r e f a b r i c a t e d t h r o u g h t h e c o m b i n a t i o n o f s e l f - p r o p a g a t i o n h i g h - t e m p e r a t u r e s y n t h e s i s ( s h s ) ， i n d u c t i o n m e l t i n g a n d i n v e s t m e n t c a s t i n g . t h e m i c r o s t r u c t u r e s a n d p h a s e c o m p o s i t i o n s o f c o m p o s i t e s w e r e s t u d i e d w i t h s e m a n d x r d . t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o m p o s i t e s w e r e t e s t e d w i t h h a r d n e s s - t e s t i n g d e v i c e a n d c o m p r e s s i o n s t r e n g t h t e s t . t h e f l u i d i t y o f c o m p o s i t e s w a s s t u d i e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y n t h e s i s s y s t e m i s a f f e c t e d b y t h e e l e c t r o m a g n e t i c a n d t h e r ma l f i e l d s . t h e n t h e r a t e o f h e a t a c c u m u l a t i o n i n r e a c t i o n z o n e wa s f a s t e r a n d t h e r e a c t i o n wa s p e r c e n t a g e c o m p o s i t e s c a n b e f a b r i c a t e d o n l y e as i e r t h e l o w - r e i n f o r c e d p h a s e t h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d , b u t i t i s i m p o s s i b l e i n g r a v i t a t i o n a l fi e l d . a s a r e s u l t , a l , t i a l , t i 3 a l m a t r ix c o m p o s i t e s w e r e f a b r i c a t e d b y t h e fi e l d - a c t i v a t e d s e l f - p r o p a g a t i o n c o m b u s t i o n s y n t h e s i s , i n t h e p r e p a r e d c o m p o s i t e s , t h e c o n t e n t o f r e i n f o r c e d p h a s e s w a s l o w a n d t h e s i z e o f r e i n f o r c e d p h a s e s w a s s u b - m i c r o n o r n a n o m e t e r . u n d e r t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d , t i b - r e i n f o r c e d t i - 4 7 a 1 m a t r i x c o m p o s i t e w a s f a b r i c a t e d d u e t o t h e l o w p e r c e n t a g e o f b o r o n e l e m e n t . t h e a b o v e a c h i e v e m e n t s c o u l d n o t b e o b t a i n e d o n l y i n t h e g r a v i t a t i o n a l f i e l d . a t t h e s a m e t i m e , i n t h e i n c o m p l e t e r e a c t i o n t i - a l - b s y s t e m , i t w a s f o u n d t h a t t i a 1 3 l a y e r c r a c k e d a s a r e s u l t o f t h e c o a c t i o n s o f t h e c a p i l l a r y f o r c e a n d t h e t h e r m a l s t r e s s , a n d t h e n t i p a r t i c l e s i n s a n d w i c h l a y e r w e r e r e n t g r a d u a l l y d u r i n g e x o t h e r m a l r e a c t i o n . b a s e d o n t h e a b o v e a n a l y s i s , t h e f r a g m e n t a t i o n - r e p r o d u c t i o n - m ic r o - r e a c t i o n m e c h a n i s m w a s p r o p o s e d . p r e c i s i o n c a s t i n g s c o m p o s i t e s w e r e f a b r i c a t e d b y c o m b i n i n g t h e i n d u c t i o n m e lt i n g w i t h i n v e s t m e n t c a s t i n g . i n c o m p o s i t e s , t h e r e i n f o r c e m e n t t i b 2 w e r e g r a i n i n e s s a n d t h e m e a n s i z e w a s a b o u t 1 . 5 - 3 g m. t h e b u l k g r a i n s i z e w a s u n d e r l 0 u m . t h e c o m p r e s s i o n s t r e n g t h o f t h e a t m a t r i x c o m p o s i t e s w a s 6 1 1 m p a , w h e r e a s t h e c o m p r e s s i o n s t r e n g t h o f t h e t i a l m a t r i x c o m p o s i t e s w a s 1 8 5 0 m p a . u n d e r t h e g r a v i t a t i o n a l f i e l d f r e e - f l o w i n g c o n d i t i o n , a l m a t r i x c o m p o s i t e s 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c o m p l e t e l y f i l l e d t h e b a n d c a v it y o f t h e i n v e s t m e n t c a s t s h e l l w i t h t h e c a v i t y l e n g t h 1 6 0 m m w i t h t h e 1 5 c m p r e s s u r e h e a d .a n d t h e s h e l l w a l l i s 3 c m t h i c k a t m o s t . h o w e v e r , w i t h t h e 2 4 c m p r e s s u r e h e a d , o t h e r c o n d i t i o n s b e i n g e q u a l , t i a l m a t r i x c o m p o s i t e s f i l l i n t o t h e m o l d w i t h a l e n g t h o f 6 8 m m . c o m p a r i n g t h e t w o c a s e s i n d i c a t e d t h a t t h e a l m a t r i x c o m p o s i t e h a s a b e t t e r fl u i d i t y . k e y w o r d s i n s i t u c o m p o s i t e s , m i c r o s t r u c t u r e , f o r m a t i o n m e c h a n i s m i i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章 绪论 1 . 1 引言 现代科学技术的迅速发展， 对材料的 性能提出了 越来越高的要求。 既希望 它们具有良 好的综合性能， 低密度、高强度、高刚度、高韧性、高耐磨性和良 好的抗疲劳性能等，又期望它们能够在高 温、高压、高真空、强烈腐蚀及辐照 等极端环境条件下服役。对此传统的单一材料己 远远不能满足上述要求。因 此 必须设法采用某种可能的工艺将两种或两种以 上组织结构、物理及化学性质不 同的物质结合在一起， 形成一类新的多相材料，即 所谓的复合材料， 使之既可 保留原有组分材料的优点，又可能具有某些新的特性，从而适应现代高技术发 展的需求n 。由 于复合材料各组元在性能 上的协同 作用，使得复合材料具有单 一材料无法比 拟的优越的综合性能。因而大力研发和应用各类复合材料己 成为 当今新技术革命的重要范畴。 金属基复合材料( m m c ) 既 具有高比 强度、比 模量，又具有高导电 、高导 热、 抗辐射、耐磨损、尺寸稳定性好等一系列优点，是一种良 好的结构材料z - s 。尤其是金属基复合材料的高热结构稳定性和温度交变稳定性，使其成为理 想的 航 空 、 航 天 材 料 6 现 在己 经 开 发的 金 属 复 合 材 料 有: a 基、 m g 基、 t i 基、 c u 基、 p b 基、f e 基以 及高温合金基复 合材料，其中a i 基复合材料除具 有普通金属基复合材料的比强度、比 模量高， 还具有复合材料制造工艺设备相 对简单，成本相对较低，可进行大规模批量生产等特点。使得 a l 基复合材料 在金属基复合材料中研究最多，发展也最为迅速。而 t i a l 基复合材料的最大 优点则是高温性能好、抗氧化能力强、 抗蠕变性能好和重量轻， 这些优点 使其 成为 未来最有前途的 新一 代高 温结 构材 料 m 。 在过去的三十年里，金属基复合材料在世界范围内已 经得到了广泛的研究 和发展。 根据增强体的形状， 金属基复合 材料可简单分为两大类:连续纤维增 强复 合材料 和非连续颗粒( 晶 须或短纤 维 ) 增 强复合 材 料。 与 连续增强t i 基复 合 材料相比，力学性能各向同性的非连续增强金属基复合材料的加工制造工艺简 捷、制造成本低廉。非连续增强的金属基复合材料按其增强体的生成方式可分 为外加增强体增强和反应生成增强体增强 $ i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 2原位金属基复合材料概述 1 .2 . 1原位复合材料及其优点 早在1 4 7 6 年，前苏联m e r z j i a n o v a .g等人在用s h s 法合成t i b 2 / c u 功能 梯 度 材料时， 就提出了 原 位复 合 材料 ( i n s i t u c o m p o s it i t io n s ) 的 构想， 但当 时尚 未引起人们重视。直到 8 0年代中后期，美国 l a n x i d e公司和 d r e x e l 大学的 k o c z a k m.j 等人先后报道了各自 研制的原位a 1 2 0 3 / a l 和t i c / a 1 复合材料及其 相应的 制备 工艺 后， 才真正开 始原位反 应复 合材料的 大规模研究19 1 原位复合材料是指利用混合体中组分之间的化学反应，生成一种或多种高 硬度和高熔点增强相，均匀分布于基体上， 达到强化基体的作用。由于增强体 是反应合成的，内生于基体之中，因而具有许多外加强化相强化复合材料所不 具 有 的 独 特 优 点 11o-121 原位复合 ( i n s i t u ) 材料， 与外加复合 材料相比，原位自 生复合材料具有如下 特点:增强体是由含增强体组分元素的原料在复合材料制备过程中，通过反 应直接生成的，表面洁净无污染，省去了 增强 物的预处理; 增强体与基体构 成的体系在热力学上比较稳定，无界面反应; 增强体尺寸比较细小，通常在 l i c m左 右， 在 增强 体 含量相同 的 情况 下， 增强 效 果更显著; 能与 铸 造工 艺结 合，直接制造出形状复杂、尺寸变化大的 近终形产品。由于内生复合克服了外 加复合的一些不足因此自8 0年代以来内生复合材料的研究发展较快，由于其 在航空、汽车等诸多领域中具有巨大的应用潜力，因而成为金属基复合材料研 究中的一个热点。 1 .2 .2增强体的选择 制备颗粒增强复合材料，增强相的选择非常重要。理想的增强相应具有以 下2 个条件: 刚性、强度、 硬度等物理或力学性能优良; 高温稳定性好， 与基体的热膨胀系数差别小。 可 供 选择 的 颗 粒 增强 剂 有 ( 13 ) : 金 属 陶 瓷 如t ic , t ib 2 , t i b和b 4 c等; 金 属间化合物如 t i3 a i , t i a l , t i 5 s i ; 等以及氧化物、氮化物如 a 1 2 0 3 , z t 2 0 3 , r 2 0 3 ( r为稀土元素) 、 a i n , t i n等。它们的共同 特点 是熔点高，比强度、比刚 度高和化学稳定性好。 发展颗粒增强复合材料的关键是选择相容性好的颗粒增 强剂。 颗粒增强复合材料目 前的 研究表明: t i c , t i b , t i b 2 等和 t i 基体具有 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 良 好的冶金相容性，其中 t i c增强的复合材料具有较高的强度及塑性，t i b , t i b 2 增强的复合材料具有较高的弹性模量及高温蠕变性能。表 1 - 1 列出了陶瓷 颗粒的部分性能: 表1 - 1 陶 瓷 增 强 相 的 性 能 14 1 颗粒 密度 ( g c m ) 熔点 ( k) 热膨胀系数 ( i ok ) 弹性模量 ( g p a ) 拉仲强度 ( mp a ) t i b4 502 4 7 38 .65 5 02 8 0 t b 2 4 . 5 23 2 5 36 . 2 5 一 1 55 0 01 2 9 t i c4 . 9 93 4 3 34 . 6 - 8 . 1 4 4 01 2 0 a 1 2 0 3 4 .0 0 _一 !6 .8 i4 2 0 2 2 3 13 4 c 么5 12 7 2 0 14 .7 84 4 5 1 5 8 ai n3 . 2 65 . 6 43 4 3 杨锐等人的 研究表明 在 t i - 4 3 a 1 两相合金中， 经过 1 2 0 0 0c / 1 0 0 0 n暴露， t ib 2 仅 有 轻 微的 尺寸 变 化 n j 1所以 认为t ib 2 在t ia l 基 合金中 稳定 性 最好。 而 t i b 适 合作a 2 t i 3 a i ) 基和 近a , a + 扫 t i 合金 基高 温t m c s 颗粒增强剂。 目 前 t i b , t i b : 大都用来作高温 m m c s 的颗粒增强剂，而 t i c多用来作 耐 磨 m m c s 颗粒增强剂 1 6 硼化物是至今为止在 金属基复合材料中 研究最多 的增强相。 1 .3原位金属基复合材料的制备方法 f .3 . 1自 蔓延高温合成法 s h s 法 。 71 最 早由 前苏 联 学 者a .g m e r z h a n o v 和i .p .b o r o v i n s k a y a 于1 9 6 7 年 提出，基本原理是将增强相组分原料与金属粉末充分混合、 压坯成型，在真空 或惰性气氛中预热引燃，利用高放热化学反应放出的热量使化学反应延续。根 据燃烧波的传播方式，可将燃烧反应分为自 蔓燃和热爆两种方式。 两种反应模 式均是利用物质间自 身化学反应所释放的反应热， 在极短的时间内合成所需的 化合物，其差别仅在于所用工艺的不同:一是在压坯的一端进行强热点火，使 反应以 燃烧波的形式自 动蔓延进行: 二是将压坯加热至起燃点，使其以整体热 爆合成反 应的形式快速进行。 s h s法的 优点是高效、设备简单、 节能，有利于 制 备晶 粒 细 小的 纯 度材 料和 生 产近 净 成 形 产品 。 盯 。 其 缺点 是产品 致密 度低、 反 应过程难以 控制。利用s h s 法已 成功地制备了t i b 2 颗粒增强a l 基复合材料。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 据i .g o t m a n 等 人 19 报 道， s h s 法 很 难制 备t ib 2 含 量低 于3 0 % 的a i / t ib : 复 合 材料，且制备的a 1 3 0 % t i b 2 复合材料的孔隙率高达3 0 % 4 0 %，但用该法制备 的 t i b 2 颗粒尺寸非常细小，为亚微米级，经二次加工后该材料具有较好的室 温和高 温力学性能。 傅正 义等 2 0 1报道s h s 法制 备a ll t i b : 复 合材料的 燃烧温度 和燃烧波速与原料粒度及性质有关。 1 .3 .2 x d t m 法 x d t m ( e x o t h e r m i c d e s p o s i ti o n ) 法2 卜 2 2 1 在 1 4 8 3年由 美国m a r tin公司的 b r u p b a c h e r 等 人 发明 并申 请 专 利， x d t m 法 是 在s h s 法的 基 础 上 改 进而 来的 。 基本原理是将生长强化相的两种粉末及基体粉末混合， 在高 于基体熔点， 而低 千强化相合成温度下，使强化相的两种粉末发生放热反应，从而在基体中形成 亚 微 米级强 化相。 x d t m 法 是一 种 增 强 剂 类 型、 形 状和体 积分 数皆 可 独 立控 制 的方法。增强颗粒在基体内原位沉淀，所以增强颗粒/ 基体界面纯净，提高了 复合材料的韧性，同时避免了增强颗粒在基体中的不均匀分布。此外， x d t m 法制备的材料范围广， 性能高， 工艺简单， 具有很高的实用价值。但这种方法 技巧性较强，难度高，不易掌握。该方法成本低，通用性强，目前已被应用于 制造t i b 2 /t i - a i 复合材料。 t .7 l a n g a n 2 3 响备 的a l - c u - l i/ 4 % t i b 2 复 合 材 料 ， 弹 性 模 量比 基 体 提 高 了 8 % a 我国 的 马宗 义2 4 2 6 1 也 在这方面 做了 大量工 作， 他对 a l - t i - b , a l- t io 2 - b 及a i - t i o 2 - 13 2 0 3 反应体系均进行了 深入的 研究。 1 .3 .3熔体接触反应法( m c r ) 熔体 接触反 应法是 综合了s h s法、 x d t m 法和l s m法的 特点 发展而成的 一种新的内生复合材料制备技术。其基本原理是将含增强相组分元素的混合 物，直接加入到a i 熔体中反应生成增强体。该法的优点是基于现有的a i 合金 熔炼工艺， 可直接浇铸成形。 用该法制备的a i/ t i a l 。 复合材料， t i a 1 3 颗粒细 小，复合材料的力学性能比外加法制备的a t/ t i b 2复合材料高得多。凌兴珠等 2 7 1 用 该法制备了a i / t i b : 复合 材料， 在t i b : 含量 相同 的 情况下，其 抗拉强 度 较外加法制备的a i/ t i b : 复合材料高得多。通过接触反应法，制备了a i / t i c . a l - s i / t i c 、 和 2 0 2 4 / t i c复合材料，发现 t i c颗粒平均直径为亚微米级，弥散 地分布于基体中，界面干净无污染。 制备的2 0 2 4 / 5 w t % t i c复合材料比基体抗 拉 强 度 提高了2 8 % 、 弹性 模量提高4 0 0% o ， 并具 有较好耐热性能 2 8 -3 0 1 哈尔滨工业大学工 学硕上 学位论文 1 .3 .4原位粉末冶金法 粉末冶金基本原理是将增强体和基体粉末混合均匀，接着对粉末混合 物真 空除气，再经过压型、烧结、冷、热等静压等工序进行致密化和改善性能。 粉末冶金法制备 t i 基复合材料不仅消除了 熔铸法的不足，而且颗粒增强 相的粒度和体积分数可以 在较大范围内 方便地调整。通过运用冷等静压和热等 静压等粉末冶金致密化技术和粉末注射成形( p i m ) 等近净成形工艺，在远低于 熔点的 温度范围内即可制备完全致密的 颗粒增强 t i 基复合材料，彻底避免了 液体 t i 的高反应性问题，并且可以大大减少机加工量。其缺点是工艺复杂， 难以制备大零件。 i ? p e t e c h n o l o g y i n c . 13 11 利 用 热 等 静 压 技 术 已 经 开 发 出 了 一 种 专 有 的 生 产 t i 基 复 合 材 料的 工艺， 用 于 生 产 近净 成 形 零 件。 刘 浩哲 (3 2 1等 人 采 用高 温高 压的 方法制备了t i c颗粒增强的t i 基复合材料，增强颗粒t i c的尺寸为纳米级。 另外，北京有色金属研究总院 13 3 用该法制备了 性能优异的 b 4 c / a l 复合材料， 可望在航空、航天、军工领域得到广泛应用。 1 . 3 . 5机械合金化法( ma ) 机械合金化法是由 美国inc o公司6 0 年代末发展起来的一种重要的制取复 合材 料的 方法， 简 单 地说是 一 种高 能 球磨的 技 术 3 4 1 。 机 械合 金化技术是 1 4 7 0 年由b e n j a m in首先提出 来的。 它是利 用粉末经反复变形、 冷焊、 破碎、 再焊 合、再破碎的过程，引入了大量畸变缺陷，使得互扩散加强，激活能降低，使 合金化过程的热力学与动力学不同于普通的固态过程，因而有可能制备出常规 条件下难以合成的许多新型合金。机械合金化法无需烧结、熔铸铸造都能得到 颗粒细小、分散均匀的金属基复合材料，且形成材料是不受相图规律的支配， 可以较自由地选择金属或构成相。此方法的缺点是工艺复杂，易于氧化。据报 道3 5 1 ， 用这种方法已 经开发出t i b / t i , t i c / t i a l 等颗粒增强 t i 基复合材料。 m a法制备的 a i1 t i a l 3 复合材料， t i a 1 3 呈颗粒状，尺寸非常细小( 2 0 n m .- 2 5 0 n m ) ，弥散分布于 a l 基体上，复合材料不仅具有很高的强度， 而且有良 好 的 塑 性 3 6 1 1 .3 .6其它方法 除了 上述几种常见制备方法外，还有快速凝固法【3 7 1 、反应性喷射沉积法 哈尔滨工业大学工学硕士学位论y 3 8 1 、 等 离 子 反 应 合 成 法 3 9 1 ， 冲 击 波 凝 固 技 术 4 0 1 、 气 体 雾 化 + 热 等 静 压 4 1等 原 位 自 生金属基复合材料制备方法。 以上简要介绍了各种制备原位 mmc的方法，但由于研究时间较短，在工 艺 及基 础研究 方面， 尚 存 在一 些有待进一步 研究的问 题4 2 1 。 但原位合成 制备方 法因其固有的优点，越来越引起人们的重视，是非连续增强 t i 基复合材料研 究的一个热点领域。 1 . 4金属基复合材料的成形 1 .4 . 1金属基复合材料的成形工艺 目 前， 对 于 金属 基 复 合 材 料的 成 形 性能 的 研究 还 较少， 其 构件的 成形 工艺 还只是处于探索阶段， 这是因为金属基复合材料具有高强度、高耐磨性以及低 塑性等特点，传统的加工工艺，如冷压、机械加工等均难以 将其成形。这些都 是造成金属基复合材料加工成本较高， 加工工艺不够完善的原因。 金属基复合材料构件的成形主要有固态成形和液态成形两种。但是不论使 用哪种方法， 都应尽量使增强材料在基体中 分布均匀;尽量使材料在加工过程 中具有较高的利用率及短的制造工期， 制出的复合材料的事后处理及加工应尽 可能少。 通过s h s 法、x d法、 机械合金化法制备的金属基复合材料，由于所制备 的 t i 基复合材料热压锭均需经二次加工，如挤压、轧制、锻造等，以提高材 料的 致密度， 并使增强体的分布进一步均匀化及改善性能。 所以使得金属基复 合材料构件成形的工艺复杂，生产周期长， 成本高，工件形状和尺寸有一定的 局限性。 近年来有人用粉末冶金和超塑性成形复合材料构件。与之相比较，铸 造方法是最为经济的，该法的材料消耗少，也不受零件形状的限制。因此也是 近年来研究较多的复合材料构件制造方法。虽然有实现金属基复合材料构件批 量化生产的可能性，但目 前尚未有这方面的报道。 熔模精密铸造具有工艺简单、成本低，对尺寸和形状限制少，而且所需设 备相对简单，能适应规模生产， 是近年来研究较多、 发展较快的复合材料成形 方法。熔模铸造是一种可生产近净成形金属铸件的技术，此方法可实现薄壁、 复杂形状铸件成形，尤其适用于难以锻造、焊接和切削加工的合金材料。目 前， 熔模精铸己经成功地应用于制备近y - t i a l 合金构件并且采用 x d法引入 l i b z 颗粒。 如美国 哈默 特公司 在马丁公司 的 独家许可 下4 3 1制备了x d y - t i a l 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 金属间化合物的透平叶片、透平增压器和其他旋转部件。熔模精铸 x d y - t i a l 金属件化合物中，基体晶粒细化，显微组织均匀，且性能各向同性。并且 x d 引入 t i b 2 颗粒后，y - t i a l 合金的强度提高了大约 3 0 %.采用熔模精铸制备 x d y - t i a l 合金能够生产近净成形的构件，从而避免了对这种脆性材料进行锻 制加工成构件所需要的昂贵的加工费用，降低了构件的重量和提高了其性能， 近净成形工艺还降低了成本，因为要求的起w物 料少，材料利用率高。 1 .4 .2金属基复合材料熔体的流动性 液态金属本身的流动能力，称为“ 流动性” ，是金属最重要的铸造性能之 一， 与金属的成分、 温度、 杂质含量及物理性质有关4 4 1 。也取决于铸型的热物 性参数。诸如热导率、比热容、铸型温度等参数。金属基复合材料熔体中加入 增强体后，由于增强颗粒的存在，液体变得粘稠，流动性变差，浇注时液体就 有可能充填不到型腔中 某些地方，以 至于得到的 铸件形态不完整，另外，由 于 熔体粘稠，在浇注过程中时，易将空 气容易卷入到液体中，并且以气泡的形式 滞留在铸件中，形成气孔缺陷。 目 前， 对金属基复合材料的流动性的研究主要集中于 a l 基复合材料4 6 - 4 7 1 研究发现，随着增强体体积分数的 增加， 复合材料熔体的流动性降 低。复 合材料流动性的降低主要是由于加入颗粒后使熔体粘度明显增加而引起的，复 合 材 料 熔 体 的 粘 度 可 近 似 表 达 为 (4 $ ) . il = j , ( 1 + 2 .5 0 + 1 0 . 5 2 沪 z ) ( 1 - 1 ) 式中， 刀 二 为复合材料熔体的粘度: 17 。 为未加颗粒前基体熔体的粘度: 沪 为颗粒 体积含量。 可见，随着颗粒体积分数增加，复 合材料 熔体的粘度增大。 这是因为随着 颗粒体积分数的增加，熔体的内摩擦力增大，粘度增加:其次折合凝固潜热减 少。这两方面的变化都将导致流动能力的降低。流动性的降低使充型过程变得 困难，尤其是对于复杂的薄壁铸件， 容易形成欠 铸情况。因此， 在浇注时必须 采取适当的工艺措施保证熔体流动性，如采用压力铸造来增加充型过程的压 力，以保证充型完整。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 5 金属基复合材料的力学性能 1 .5 . 1金属基复合材料力学性能 概述 目 前复合材料的“ 组织设计” 中 有个重要的原则，就是加入不同形态和体积 分数的增强 相来提高 综合性能。 如加入( 或生 成) 细小的 硬颗粒来提高材 料的强 度的同时加入有弹性的软相( 如块状相) 来提高材料的韧性和加入( 或自 生) 晶须 或大尺寸的增强相来提高材料的抗蠕变性能。 mmc s 的力学性能主要取决于基体、增强相的性能及增强相与基体界面的 特性。 增强相的引入大大提高了金属基复合材料的弹性模量，弹性模量随着强 化相量的增加呈非线性增长。原位合成增强体与基体合金界面非常干净，界面 能有效地传递载荷， 增强体能够承载， 有利于提高复合材料的力学性能， 增强 体的原位合成，调整了基体合金的微结构，也有利于强化复合材料。复合材料 的强 化主 要原因 有: ( 1 ) 增强体承载; ( 2 ) 基体合金晶 粒细化; ( 3 ) 由 增强 体与基 体合金热膨胀系 数差异形成的高密度位 错a s -a 9 。 增 强相的加入显著改 变基体的 显微组织，从而改变基体的强度。细化晶粒作用以 及由位错与增强相粒子相互 作用也产生的强度增量，颗粒的尺寸越小，粒子间距越小，这种强化作用越 强。 通常的增强体与基体界面之间粘结良 好，复合材料应该表现出良好的韧 性。然而，增强颗粒粗大往往使材料韧性的提高受到制约。在制备过程中要避 免增强相粗化。此外，复合材料呈现出其韧性随增强体的体积百分比的增加而 减小的规律。颗粒增强 t i 基复合材料组织中 加入少量纤维是提高材料断裂韧 性以及抗蠕变性能的有效途径。 颗粒增强 t i 基复合材料的断裂韧性与温度存 在一种复杂的关系。金属基复合材料的蠕变性能对材料的高温应用至关重要， 但是目 前对复合材料蠕变行为的研究还较少蠕变复合材料的蠕变性能与增强相 的尺寸和加载条件有密切的关系。一般来说增强相的尺寸增大有利于蠕变强度 的提高。另外复合材料中的增强相又起到细化晶 粒的作用， 它虽有利于室温或 高温强度的提高，但不利于蠕变强度的 提高。因此复合材料的蠕变强度取决于 增强相的强化作用和晶粒细化而产生的弱化作用的综合影响。 文献 5 1研究了2 5 v o lol o t i2 c t t i , 1 o v o l% ( t i 2 c + t i b ) / t i , 1 5 v o l% ( t i2 c + t ib ) / t i 合金在 8 2 3 - 9 2 3 k范围的蠕变性能，并与纯t i 基体比 较， 发现复合材料的 蠕变速率比 基体低2 - 3 个数量级; 但到9 2 3 k基本与基体相同，该文献认为复 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 合材料蠕变强度高是因为它的弹性模量大和组织细小。总的来说研究者对蠕变 抗力的提高原因方面说法不完全一致， 但加增强相后蠕变抗力得到提高是肯定 的。 1 .5 .2 a l 基复合材料的力学性能 由于增强相是通过反应生成的，其尺寸细小、表面干净、界面结合好，因 此，自 生 a l 基复合材料的机械性能与基体相比均有较大程度的提高。同一种 复合材料采取不同的工艺制备时， 其性能 也有所不同，如表 1 - 2所示。即 使同 一材料，同一种工艺而采用不同的工艺 参数， 其性能表现也不同，总体上看， 材 料 的e , a 6 , a y ， 均有 较 大 提高， 但各 下 降 较大。 is 下降 较大 有 人认 为 这是 由于在原位反应生成增强相的同时，往往伴随有不利相产生。如在 a l - ,t i- b系 自 反 应生成增强相 t i b : 的 过程中，中 间 相 a 1 x t i y ， 未能 完全转化为热力学稳 定的t i b 2 , a l x t iy 中 的a 13 t i 是 既 硬 又 脆的 金 属间 化 合物， 密 度是3 .3 蜘时， 熔点1 3 5 0 0c ， 其弹 性模 量 达 1 6 6 g p a 5 q ， 它的 存 在 会 大大削 弱复 合 材 料的 屈 服 强度和断裂强度， 但可提高复合材料的 耐磨 性和抗氧化性5 2 1 表1 - 2不同 方法制各的a l 基复 合 材料的力学性能ia 8 ,5 1 1 材料制备方法 增强相体积 分分数 6 6 ( mp 时 马 ( mp 价 e ( g p a )s(0lo a11 0 2 .66 7 . 87 02 0 ti b2 l ai 外加法 2 0 01 01 6 61 2 19 61 0 t i b z / a l xd2 o 0t 03 3 42 3 51 317 t i b z / ai s hs2 0 01 03 4 32 3 81 3 29 t i b 2 1 a lc a s t in g + t 4 2 0 %1 6 61 2 39 5 1 5 t i b z / a ic r + c a s t i n g 1 5 %1 5 391 55 t i c / aicr1 5 %6 1 04 6 51 1 04 . 3 t i c / aixd2 0 %4 2 02 t i c / ai xd3 2 %4 2 2 23 s i c / aima+ s i n t e r3 2 %5 5 2 - 6 0 06 5 0 - 8 0 03 - 5 1 .5 .3 t i a l 基复合材料的力学性能 张荻等人5 3 1利用 t i 与 硼之间的自 蔓 延高 温合成反 应， 经普通的 熔铸工艺 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 原位合成制备了t i b , t i c和增强的t i 基复合材料。室温压缩性能测试结果表 明:原位合成增强体的引入提高了复合材料的力学性能，t i b 爪 复合材料强化 因子s ( t i 基复合材料与相应基体合金的屈服强度的比 值) 分别为 1 .3 3 和 1 .4 8 0 原 位合成t i c / t i 复合材料强化比 值s分别为 1 .2 8 和 1 . 4 1 。在块状和针状t i b 增强的原位 t i 基复合材料中， 研究发 现 t i b的 形貌和尺寸随增强相体积分数 不同而不同，随t i b体积分数增加， 初生块状t i b的数量和尺寸增加，而针状 t i b的数量下降。相对于非增强的纯 t i , 5 v o l .% t i b / t i 复合材料的屈服强度提 高了 近 6 0 %。同时，杨氏 模量提高了 近 1 0 %0 5 v o l .% t i b / t i 的强度和韧性比 2 2 v o l .% t i b + t i c / t i 的要高。1 0 v o l . % t i b / t i 的强度几乎是纯t i 的二倍， 杨氏 模 量提高到大约 1 3 1 g p a . 而且，此时这种复合材料的延伸率仍然保持相当高， 仍可达 5 石 %。现将研究者制备的一些复合材料基本力学性能列于下表: 表1 - 3一些 材料的 基本力学性能 15 3 材料成分温度 卫 ( ( 3 p a ) 飞 ( mp a ) 伪 2 ( mp a ) 石 ( %) t i - a i 合金 1 7 6 - 1 6 07 0 0 - 4 5 0 6 5 0 - 4 0 0卜4 t i b 2 / t i - 4 5 r o a l 挤压态 2 0 c 8 0 0 - c 7 9 3 71 04 4 8名 t i b 2 / t i 一5 9 /. a 1 热处理态 2 0 0 c 8 0 0 c 8 6 2 6 0 0 7 9 3 4 2 7 0 . 5 z o 7 %t i b 2 - t i - 4 7 a 1 - 2 v 铸态 3 0 c 6 4 0 c 1 8 0 1 6 2 5 9 0 4 8 0 1 . 1 t i b + t i c l t i 铸态 2 5 0 c 6 8 0 c 1 3 1 . 21 3 2 9 . 8 6 5 7 . 4 1 2 4 3 . 1 1.7 41 1 .8 1 从表中可以 看出研究者制备的 t ia l 基复合材料的弹性模量，拉伸强度和 屈服强度与基体相比 没有显著提高， 所以 对现有的 制备工艺还应改进， 对显微 组织、力学性能的研究还应加强。 t i b与t i c共同 增强的t i 基复合材料铸态条 件下的 抗拉强度值可达1 3 2 9 . 8 m p a ， 可见t i a l 基复合材料力学性能力学性能提 高仍有很大空间。 1 .6选题意义及本文的主 要研究内 容 原位金属基复合材料是材料科学发展的前沿领域之一。原位金属复合材料 中增强体的原位生成，避免了 外加增强体带来的污染以及界面反应问题，增强 体与基体界面干净、结合好，具有优异的力学性能。并且原位自 生金属基复合 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 材料的制备工艺简单、成本低。迄今业己发展了多种用于制备原位金属基复合 材料的工艺，但是金属基复合材料构件的成形工艺还相对落后，采用机械加工 来制备复合材料消耗多，构件复杂程度低，加工成本和工期居高不下。而采用 熔铸成型工艺则可大幅降低制备成本和工期，并显著提高材料利用率和成形构 件的复杂程度。可见实现复合材料的制备、熔炼与复杂成形的一体化，一次成 形 a l 基、 t i a l 基复合材料构件，这将从根本上降低金属基复合材料构件成形 的成本，这对于复合材料构件实现工业化生产，拓展其应用领域具有重大的意 义。 此外，对原位自生 a l 基及 t i a l 基复合材料的反应合成规律及机理的研 究， 也相对落后于复合材料力学性能等方面的 研究。 对于采用高温自 蔓延高温 合成( s h s ) ,感应熔炼相结合的工艺所制备的原位自 生复合材料的反应合成机 理以及显微组织和力学性能尚未有研究。因此，堕待对此进行深入研究，为制 备出 显微组织和力学性能 优异的原位自 生复合材料奠